Электрическая емкость. Конденсатор

КонденсаторЭлектрические заряды, расположенные на телах, создают в окружающем пространстве электростатическое поле. Распределение поля характеризуется в каждой точке пространства вектором напряженности электрического поля Е. Если пробный заряд q пронести (медленно) от одного заряженного тела (точка 1) к другому телу (точка 2), то сила q Е, действующая на заряд в электрическом поле, совершает работу А12. Отношение этой работы к величине пробного заряда называется разностью потенциалов точек 1 и 2: А12/q = ??12. Эта разность потенциалов определяется величинами зарядов на заряженных телах. Обычно для определения понятия «электрическая емкость» рассматривают только два проводящих тела, имеющих одинаковые по величине, но противоположные по знаку электрические заряды +Q и -Q. Считается, что все другие (заряженные) тела находятся от этих двух рассматриваемых тел так далеко, что не влияют на распределение электрического поля в пространстве вокруг этих двух тел. Отношение Q/( ??12) называют электрической емкостью системы, состоящей из этих двух проводников. Название единицы емкости – Фарад.

Если разность потенциалов электрического поля двух проводников равна 1 Вольт, и на них находятся заряды +1 Кулон и –1 Кулон, то такая система имеет емкость 1 Фарад.

Можно ввести емкость и для уединенных тел, например, для уединенного заряженного шара. Вторым телом для такого шара (с зарядом противоположного знака) можно считать мысленно созданную проводящую сферу бесконечно большого радиуса, которая охватывает рассматриваемый шар. Поскольку любые заряды на этой сфере бесконечного радиуса не создают поля внутри сферы, то ее наличие или отсутствие никак не сказывается на распределении электрического поля вблизи заряженного тела (шара). Потенциал этой сферы бесконечно большого радиуса принимается равным нулю. Тогда емкость уединенного тела (шара) равна отношению заряда этого тела к его электрическому потенциалу.

Напряженность электрического поля Е наибольшая по модулю вблизи поверхности заряженных тел — это очевидное утверждение. Плотность энергии электрического поля, пропорциональная квадрату напряженности поля, тоже максимальна вблизи поверхности заряженных тел.

Например, для уединенного шара энергия электрического поля на 90% сосредоточена в области пространства R < X < 10R , где Х — это расстояние от центра шара. Если система заряженных тел имеет суммарный нулевой электрический заряд, то и в этом случае энергия электрического поля сосредоточена (сконденсирована) в пространстве в непосредственной близости от заряженных тел.

Обычно конденсатором называют систему из двух противоположно заряженных тел, причем суммарный заряд этой системы тел равен нулю. Однако иногда пластины собирают в пакеты по несколько штук, как это сделано, например, в конструкции так называемого воздушного конденсатора переменной емкости (на рисунке).

Например, в случае двух проводящих пластинок площадью S, находящихся в воздухе или вакууме на небольшом расстоянии d друг от друга, и имеющих одинаковые по величине заряды противоположных знаков, непосредственно между пластинами сосредоточена доля всей энергии электрического поля.

При наличии на пластинах зарядов +Q и –Q пластины конденсатора имеют разные электрические потенциалы. Разность потенциалов пропорциональна величине заряда Q или наоборот — заряд пропорционален разности потенциалов: . Коэффициент пропорциональности в этом соотношении называют емкостью конденсатора.


.